继电器和螺线管，我在机电产品设计中的有趣故事
品慧电子讯随着自动化的发展，机械功能越来越依赖于电子控制。螺线管(Solenoid)为许多这类应用提供了机电接口。另外，许多电子负载通常需要不断地被导通和切断。继电器就是一种可以切换电子负载的螺线管。本文向初学者介绍了继电器和螺线管的基础，还有作者经历的几个有趣故事。
螺线管基本上就是块电磁铁，它是通过对线圈接通电流而形成的。在物理学上我们学过“右手定律”，它决定了电流在线圈中流动时磁场的方向。通过以手掌裹绕柱状线圈的形式弯曲手指，当电流流出包裹的指尖时，磁场将流出伸出的拇指尖。
图1：右手定律。
在线圈内插入电枢，当线圈通电时，磁力会将电枢往外推向拇指。力的大小取决于线圈绕组的匝数以及流经线圈的电流量。这种力被用于驱动各种负载，包括发动机启动马达、电动门锁，以及各种运动阀(比如在自动贩卖机中看到的那种运动阀)。你所听到的“咔嗒”声实际上是施加磁力时电枢撞击阀门的声音。
在螺线管动作中实际上有两个力：第一个是移动电枢所需的力，第二个是将电枢保持在设定位置的力。由于大多数电磁铁都有一个弹簧一直在将电枢回拉，所以电力必须足够大以克服弹簧力，从而使电枢移动或保持在设置位置。在这些力中，保持力小于用于启动电枢运动的初始启动力。
最近，我就经历了一次柴油发动机中引擎停止的事件，其原因就是由于电枢保持电流不足。用于控制燃油阀的螺线管失效，没能保持燃油阀处于打开状态。因没能将阀门打开得足够大，螺线管也禁止引擎启动。后一种故障实际上是由于螺线管和继电器都失效的缘故。查看线束才了解到失效的原因。启动车辆时，螺线管启动以打开燃油阀，这需要更大的动力来保持阀门打开，以维持发动机持续运转。额外的启动动力由继电器接入。继电器触点跳火以及与连接器一起变得更具阻性，这两种情况的组合还导致电压下降，并且“虚搭（hokey）”的接地系统已经将螺线管上的电压降低到不能将燃油阀拉出足够远以启动发动机的程度。结果是启动时燃料不足。带蓝色标记的连接器照片（图2顶部）显示了连接器电磁线圈一侧的三根导线：
红色保持线
白色电枢启动线
黑色地线
图2：顶部照片显示带蓝色标记的连接器，其螺线管侧有三根导线。
但请注意，底部照片中线束侧的绿色保持线要细得多。与12V时的启动电流相比，10.7V时的保持电流设计得较低。但是，每个电流路径都有太大压降，从而导致启动和运转时出现问题。更换螺线管和继电器可能会解决问题，减少线束中的电压损耗可能也是解决之道。最后，地线穿过线束，这增加了额外压降。最终解决办法可能是采用更直接的连接路径。
继电器是移动一组触点以便切换电路开关的螺线管。在汽车控制中大量使用继电器。随着负载的增加，电流路径保持在本地，而不是一直连接到仪表盘下的开关和控制信号。因此，继电器可以利用低电平信号来为更高的电流负载供电。
与半导体开关和相关的支持组件相比，继电器通常成本更低。继电器也是隔离的，这意味着开关电路可以单独的接地为参考，或者开关触点可以执行电压的高压侧切换。对于汽车应用，继电器为刀片式端子提供一个通常带有安装位置的密封外壳。这就很容易做到即插即用，而半导体电子电路则要求隔离、保护和安装电路板的措施，以及半导体封装或电路板迹线的端接等。
图3：包含触点和线圈的继电器内部视图（来源：Explainthatstuff.com）
除电压隔离外，继电器还可以切换大电流，包括驱动电机和其它负载的大电流。因此，可能会出现开关电弧现象，特别是那些对于具有较大初始电流尖峰的容性负载。接触不良是继电器常见的问题，在极端情况下甚至出现触点焊接在一起的情况。我安装在自己卡车上的一组越野灯，有一次就发生了这种情况。我不得不驶下高速公路，断开灯泡，以避免对面的司机花了眼或者烤焦我前面车辆司机的头皮。
另一种形式的继电器是干簧继电器。干簧继电器为轴向设计，其触点也提供弹簧张力以创建一个开路。线圈通电后会产生一个关闭触点的磁场。干簧继电器的电流比标准机电继电器小，但开关速度更快。
图4：干簧继电器图（图片来源：NI白皮书）
继电器的寿命与继电器开合的周期数有关。触点打开和闭合的次数越多，产生电弧的可能性就越大，这会降低继电器的使用寿命。表1比较了继电器开关速度、预期寿命和电流承载能力。
表1：继电器类型和特性比较。（来源：《如何选择正确的继电器》，NI）
开关继电器曾经在汽车稳压器应用中占有重要地位。继电器触点脉冲开启和关闭以均衡来自交流发电机的电压。因此，许多老式汽车的车主将其交流发电机替换为更可靠的固态版本。基于继电器的电压稳压器不仅不可靠，而且还需要费力的调整流程。此外，许多稳压器外壳都是导电的金属，必须使用橡胶密封圈将其与金属安装位置隔离。当垫圈变干、破裂和老化时，稳压器会发生短路，带来许多麻烦。
继电器，作为负载切换的一种选择，即便在现今的集成半导体时代也仍然有用武之地。对许多应用来说，它们仍然是可行的选择。随着世界的电子化，螺线管将会出现在越来越多的应用中。
本文转载自电子技术设计。
推荐阅读：
拆解华为保时捷设计快充无线充电器：凭啥能卖699？
基于DSP的MEMS陀螺仪信号处理平台的设计
MEMS陀螺仪的工作原理及作用
深度解读各类气体传感器
无线充电技术及零部件和解决方案
